СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО ТИПА, ВЫПОЛНЕННЫЙ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОЙ ФАЗОЙ МНОГОФАЗНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА С ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ТРЕМЯ ФАЗАМИ Российский патент 2021 года по МПК H02M1/32 H02M7/5387 H01L25/07 

Настоящее изобретение относится к силовому преобразователю, выполненному с возможностью управления по меньшей мере одной фазой многофазного электрического приемника с по меньшей мере тремя фазами.

В авиационно-космической области общей тенденцией является замена гидравлических приводов электроприводами для уменьшения стоимости, т.е. для предложения на рынке экономически более конкурентоспособных решений.

Фактически становится реальностью разработка электрических самолетов с поверхностями управления, которые приводятся в движение посредством электроприводов с цилиндром, и более того, для Ariane 6 гидравлические приводы, которые на Ariane 5 управляют траекторией данной ракеты-носителя посредством управления расширяющимися соплами твердотопливных ускорителей и двигателя криогенной основной ступени, будут заменены электроприводами очень высокой мощности.

Доступность таких уровней мощности может быть обеспечена только посредством повышения напряжения источника электропитания. Например, для верхней ступени Ariane 5, электрическая мощность, требующаяся для каждой из двух осей, составляет порядка 5 кВт (при 150 В), а для твердотопливных ступеней Ariane 6 электрическая мощность, требующаяся для каждой оси, будет составлять порядка 70 кВт (при 350 В).

В других областях, новые авиационно-космические программы, такие как Stratobus, автономный дирижабль, летающий выше зоны воздушного движения, на высоте 20 километров, могут осуществляться только в полностью электрическом исполнении.

Критичность задач, которые теперь предстоит выполнять электроприводам, требует разработки решений, которые, будучи отказоустойчивыми, не мешают выполнению задачи при возникновении отказа.

Кроме того, конкуренция, существующая на рынках авиационно-космической техники, требует реализации все более экономически конкурентоспособных решений.

В основе электропривода лежит электронный блок управления (Electronic Control and Power Unit - ECPU), часть которого, которая приводит в действие электродвигатель, состоит из инвертора мощности, различные виды отказа которого не должны оказывать влияния на задачу.

Мощная электроника в высоконадежных применениях, таких как авиационно-космические, требует архитектур, способных выполнять задачу в случае простого отказа.

Другими словами, необходимо обеспечить конкурентоспособное решение, которое гарантирует бесперебойную работу в случае отказа электронного элемента, без реконфигурирования и без снижения уровней рабочих характеристик инвертора.

В частности, для создания отказоустойчивого инвертора известны два типа инверторов.

Известны реконфигурируемые инверторы, в которые добавлены предохранители, соединенные последовательно с силовыми ключами, одинаковыми силовыми ключами в фазовых линиях, чтобы вызывать перегорание предохранителей при некоторых случаях отказа, одинаковыми силовыми ключами для изолирования отказавшей фазы и переключения ее на резервное плечо инвертора.

Данный тип архитектуры предполагает, что простой отказ не вызывает распространения отказов на другие элементы инвертора, даже короткое замыкание батареи, что все потенциальные отказы могут быть однозначно установлены, что предохранители перегорают во всех случаях и что ключи реконфигурирования не требуют более сложной реализации, чем резервирование плеч инвертора.

Кроме того, работа данных инверторов предполагает наличие средств обнаружения отказа и выполнения соответствующего действия реконфигурирования инвертора, которое временно замедляет его работу.

Таким образом, применения, которые требуют полной работоспособности инвертора, не позволяют использовать данный тип архитектуры, поскольку при возникновении простого отказа работа инвертора ухудшается, даже прекращается, и данный недостаток работоспособности сохраняется в течение периода времени, требующегося для обнаружения отказа, определения необходимого корректирующего действия и выполнения упомянутого корректирующего действия. В случае Ariane 6, работа твердотопливной ступени длится приблизительно 2 минуты и 20 секунд, в течение которых ракета-носитель покидает стартовую платформу для достижения высоты 70 км. Такая задача требует бесперебойной работы оборудования.

Одно известное средство для управления рисками отказа состоит в разработке инверторов с резервированием на основе увеличения количества активных элементов при отказе одного элемента, который должен быть компенсирован, естественно, посредством резервного элемента. Предохраняя от различных случаев отказа, данный тип архитектуры приводит к увеличению количества элементов в четыре раза:

- для предотвращения влияния отказа типа короткого замыкания элемента добавляют второй элемент, соединенный последовательно; если это управляемый элемент, то управление также дублируют.

- для предотвращения влияния отказа типа обрыва цепи элемента, добавляют второй элемент, соединенный параллельно; если это управляемый элемент, то управление также дублируют.

Аналогично, в силовых преобразователях импульсного типа, встраиваемых в спутники (космические аппараты), архитектуры коммутирующих ячеек должны быть способны естественно компенсировать отказ элемента.

Основным недостатком данных решений является увеличение количества элементов, которое увеличивает стоимость и, увеличивая размер реализации, также увеличивает паразитные индуктивности, которые создают коммутационные перенапряжения.

Одним известным средством для увеличения токонесущей способности силового устройства является использование параллельного соединения поднаборов с меньшей токонесущей способностью, так что их суммарная токонесущая способность равна требуемой токонесущей способности; данное условие справедливо только если распределение тока между разными поднаборами равномерное.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение вышеупомянутых недостатков и, в частности, проблемы отказоустойчивости без реконфигурирования или снижения уровней рабочих характеристик инвертора.

В соответствии с одним аспектом изобретения, предлагается силовой преобразователь импульсного типа, который приспособлен для управления по меньшей мере одной фазой многофазного электрического приемника с по меньшей мере тремя фазами, содержащий по меньшей мере один блок из двух плеч преобразователя, при этом полуплечо плеча преобразователя содержит:

- первый набор из Р≥2 ключей, соединенных последовательно;

- второй набор из Р≥2 ключей, соединенных последовательно; и

- третий набор диодов, расположенный между упомянутым первым набором и упомянутым вторым набором, содержащий М≥2 поднаборов, соединенных последовательно, обозначенных i ∈ [1;М], соответственно содержащих N_i≥2 диодов, соединенных параллельно.

Таким образом, последовательное соединение ключей, с одной стороны, и последовательное соединение диодов, с другой стороны, обеспечивает устойчивость к простому отказу типа короткого замыкания элементов. Параллельное соединение N_i≥2 диодов обеспечивает устойчивость к простому отказу типа обрыва цепи диода, а параллельное соединение двух поднаборов ключей, соединенных параллельно, обеспечивает устойчивость к простому отказу типа обрыва цепи ключа.

Кроме того, поскольку диоды поднабора соединены параллельно, с хорошей тепловой связью между ними, если один диод нагревается, то он нагревает также другие диоды, таким образом стремясь поддерживать надлежащее распределение тока между ними.

Кроме того, поскольку упомянутые наборы ключей соединены параллельно с минимизированной тепловой связью (два разных набора ENS1 и ENS2), если нагревается один ключ, то тепловая изоляция с другими ключами другого набора позволяет ему свободно нагреваться, не создавая помех другим ключам другого набора, таким образом стремясь поддерживать надлежащее распределение тока.

Кроме того, во время его работы, через полуплечо инвертора проходит фазовый ток, переменный, в наборе диодов, соединенных последовательно, затем, разделенный на два, в двух последовательно соединенных ключах. Размещение диодов между ключами позволяет создавать одинаковый средний путь тока, циркулирует ли ток в последовательно соединенных диодах или, разделенный на два, в двух последовательно соединенных ключах. Благодаря этому магнитное поле, образующееся вокруг полуплеча инвертора при циркуляции тока, изменяется незначительно, и соответственно паразитные индуктивности коммутации уменьшаются до минимума. Таким образом, перенапряжения на диодах и ключах уменьшаются до минимума.

Кроме того, многофазный электрический приемник с по меньшей мере тремя независимыми фазами имеет по существу избыток фаз.

Таким образом, можно разработать силовой преобразователь, который использует данное свойство электрического приемника таким образом, что отказ типа обрыва цепи преобразователя или приемника компенсируется избыточностью приемника; такой подход позволяет ограничить резервирование для преобразователя последовательным резервированием, которое требует в два раза меньше элементов по сравнению с обычным последовательное-параллельным резервированием.

В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутые М поднаборов содержат одинаковое количество N_i диодов, соединенных параллельно.

Таким образом, режим работы полуплеча инвертора, в случае отказа типа короткого замыкания диода, остается неизменным независимо от поврежденного поднабора диодов.

В одном варианте осуществления, силовой преобразователь импульсного типа содержит по меньшей мере один датчик температуры.

Наличие по меньшей мере одного датчика температуры позволяет контролировать рабочую температуру инвертора. На основе такого контроля, блокирование инвертора в случае высокой температуры позволяет предотвращать отказы, вызываемые повышением температуры перехода полупроводников ключей и диодов.

В соответствии с одним вариантом осуществления, ключи первого набора расположены на одной прямой и/или ключи второго набора расположены на одной прямой и/или поднаборы диодов третьего набора расположены на одной прямой.

Таким образом, разность среднего пути тока между диодами и двумя последовательно соединенными ключами минимизирована, уменьшая паразитную индуктивность коммутации и соответственно перенапряжения на диодах и ключах до минимума.

В одном варианте осуществления, блок из двух плеч содержит копланарный источник электропитания, содержащий положительную линию и отрицательную линию, расположенные так, чтобы разделять два плеча преобразователя, и содержащие силовой интерфейс для каждого плеча, причем каждый силовой интерфейс выполнен так, что оба полуплеча соответствующего плеча, т.е. положительное полуплечо и отрицательное полуплечо, расположены между копланарным источником электропитания и соответствующим силовым интерфейсом.

Таким образом, соединения полуплеч инвертора выполнены с минимальной паразитной индуктивностью, чтобы уменьшать перенапряжения, возникающие при коммутации ключей и диодов. По существу точка суммирования токов, коммутируемых в силовом интерфейсе, центрирована относительно соединения ключей и диодов, при этом фазовый ток проходит через остальную часть силового интерфейса. Поскольку линии копланарного источника электропитания обладают очень малой паразитной индуктивностью, электропитание полуплеч инвертора гарантировано с минимальным перенапряжением при коммутации.

В соответствии с одним вариантом осуществления, два полуплеча, образующие плечо блока из двух плеч преобразователя, содержат:

положительное полуплечо, содержащее третий набор, подсоединенный между отрицательной линией копланарного источника электропитания и соответствующим силовым интерфейсом, и первый и второй набор, подсоединенные между положительной линией копланарного источника электропитания и соответствующим силовым интерфейсом, и

отрицательное полуплечо, содержащее третий набор, подсоединенный между положительной линией копланарного источника электропитания и соответствующим силовым интерфейсом, и первый и второй набор, подсоединенные между отрицательной линией копланарного источника электропитания и соответствующим силовым интерфейсом.

Таким образом, при коммутации данные два полуплеча обмениваются электрическим током, с одной стороны, фазовым током через их силовые интерфейсы и фазу приемника, и с другой стороны, коммутируемыми токами через линии копланарного источника электропитания. Поскольку линии копланарного источника электропитания обладают очень малой паразитной индуктивностью, электропитание полуплеч инвертора гарантируется с минимальным перенапряжением при коммутации.

Например, отрицательное полуплечо плеча блока из двух плеч преобразователя расположено напротив положительного полуплеча другого плеча блока из двух плеч преобразователя, относительно копланарного источника электропитания.

Размещение напротив двух полуплеч инвертора позволяет оптимизировать и уменьшить длину циркуляции коммутируемых токов в копланарных линиях, для того чтобы уменьшить абсолютный минимум паразитных индуктивностей и коммутационных перенапряжений, которые связаны с ними.

В одном варианте осуществления, если количество плеч нечетное, то преобразователь содержит упомянутые блоки из двух плеч и блок из двух плеч, снабженный дополнительным плечом.

Таким образом, создание инвертора с нечетным количеством плеч осуществляется таким образом, чтобы уменьшить паразитные индуктивности и связанные с ними коммутационные перенапряжения.

Например, упомянутый блок из двух плеч снабжен дополнительным плечом, содержащим два полуплеча, расположенные на каждой стороне удлиненного копланарного источника электропитания, и силовой интерфейс упомянутого дополнительного плеча, содержит соответственно, для каждого из упомянутых двух полуплеч, участок, выполненный так, что соответствующее полуплечо расположено между копланарным источником электропитания и упомянутым участком соответствующего силового интерфейса.

Таким образом, изготовление инвертора с нечетным количеством плеч может быть производным из изготовления с двумя плечами инвертора; добавление третьего плеча означает дублирование схемы размещения пары расположенных напротив полуплеч, соответственно позволяя использовать средства производства, разработанные для изготовления с двумя плечами инвертора.

Например, упомянутый блок из двух плеч, снабженный дополнительным плечом, содержит также дополнительный участок копланарного источника электропитания, расположенный в одном конце и в другом направлении от остального копланарного источника электропитания, и силовой интерфейс упомянутого дополнительного плеча выполнен так, что упомянутое дополнительное плечо расположено между упомянутым дополнительным участком копланарного источника электропитания и упомянутым соответствующим силовым интерфейсом.

Таким образом, данный вариант осуществления позволяет упростить силовой интерфейс упомянутого дополнительного плеча.

Например, упомянутый дополнительный участок копланарного источника электропитания расположен по существу под прямыми углами относительного остального копланарного источника электропитания.

Таким образом, пути циркуляции токов коммутации двух полуплеч дополнительного плеча в линиях копланарного источника электропитания являются симметричными, так что работа плеча инвертора не зависит от направления фазового тока.

В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутый силовой преобразователь импульсного типа является гибридным.

Таким образом, использование гибридных технологий позволяет максимизировать компактность инвертора; компактное решение, посредством уменьшения длин, позволяет значительно уменьшить паразитные индуктивности и перенапряжения, которые связаны с ними. Кроме того, улучшенная компактность изделия позволяет уменьшить его вес и, занимая меньшее пространство в готовом оборудовании, позволяет также уменьшить его вес.

Кроме того, использование гибридных технологий позволяет оптимизировать тепловые связи между элементами.

Таким образом, поскольку диоды поднабора расположены параллельно на одной медной поверхности, гарантирующей хорошую тепловую связь между ними, если один диод нагревается, он нагревает также другие диоды, таким образом стремясь поддерживать надлежащее распределение тока между ними.

Кроме того, поскольку наборы ключей расположены параллельно на разных и отдельных медных поверхностях (два разных набора), если один ключ нагревается, то тепловая изоляция с другими ключами другого набора позволяет ему свободно нагреваться, не создавая помех другим ключам другого набора, таким образом стремясь поддерживать надлежащее распределение тока.

Необходимо понимать, что гибридный преобразователь представляет собой модуль, содержащий одну или более изолированных подложек, обычно керамических, на которых активные и пассивные элементы соединены так, чтобы выполнять электрическую функцию; при этом активные элементы могут представлять собой бескорпусные интегральные схемы или корпусированные элементы, пассивные элементы могут представлять собой элементы, напечатанные на подложке или монтируемые на поверхности. Подложки заключены в корпус, через который межсоединения позволяют достигать внутренней электрической функции модуля.

В соответствии с одним вариантом осуществления, ключи содержат по меньшей мере один биполярный транзистор с изолированным затвором и/или по меньшей мере один полевой транзистор с изолированным затвором.

Таким образом, управление ключом упрощено; когда на затворе есть смещение, ключ активный, когда на затворе нет смещения, ключ заперт. В данном случае схема управления достаточно простая, поскольку для активации ключа она должна вводить электрические заряды в затвор, а для запирания удалять данные заряды. Кроме того, поскольку запирание ключа зависит только от управления затвором, в отличие, например, от тиристора, ключ может быть одинаково использован в схемах с естественной коммутацией, то есть тех, в которых ключ открыт, когда ток, который проходит через него, прерывается, и в схемах с принудительной коммутацией, то есть тех, в которых ключ открыт, пока через него проходит ток.

Например, упомянутый преобразователь представляет собой инвертор или модулятор.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается схема управления по меньшей мере одним электроприводом с цилиндром ракеты-носителя, содержащая по меньшей мере один вышеописанный силовой преобразователь импульсного типа, при этом упомянутый электрический приемник представляет собой электродвигатель и упомянутый силовой преобразователь представляет собой инвертор.

Таким образом, упомянутая схема управления обеспечивает тонкую модуляцию мощности, приложенной к приводу с цилиндром. Кроме того поскольку инвертор реверсивный, он позволяет возвращать в батарею энергию, которая забирается из привода с цилиндром, а не терять ее, как в гидравлической системе с остаточным маслом, используемой в настоящее время на нижних ступенях Ariane 5.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается также ракета-носитель, которая снабжена вышеописанной системой.

Таким образом, такая система позволяет освободить оператора ракеты-носителя от эксплуатационных ограничений, создаваемых мерами безопасности, которые должны быть реализованы при использовании гидравлических систем с остаточным маслом, в которых источник энергии состоит из больших баков с маслом, сильно сжатым посредством сжатого воздуха под давлением 200 бар. Кроме того, такая система может питаться энергией от тепловых батарей, которые будучи инертными до тех пор, пока их не активируют, позволяют оператору ракеты-носителя также быть освобожденным от эксплуатационных ограничений, связанных с использованием электрических аккумуляторных батарей.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается также система управления по меньшей мере одним устройством управления для антенн или солнечных панелей спутника, содержащая по меньшей мере один вышеописанный силовой преобразователь импульсного типа, при этом упомянутый электрический приемник представляет собой электродвигатель и упомянутый силовой преобразователь представляет собой инвертор.

Таким образом, уровни перенапряжения на выводах преобразователя могут быть ограничены по сравнению с уровнями перенапряжения, вызываемыми другими системами, обеспечивая более приемлемые размеры системы.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается также спутник, снабженный вышеописанной системой управления.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается также система электропитания спутника, содержащая по меньшей мере один вышеописанный силовой преобразователь импульсного типа, при этом упомянутый электрический приемник представляет собой многофазный трансформатор и упомянутый силовой преобразователь представляет собой инвертор или модулятор.

Таким образом, уровни перенапряжения на выводах преобразователя могут быть ограничены по сравнению с уровнями перенапряжения, вызываемыми другими системами, обеспечивая более приемлемые размеры системы.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается также спутник, снабженный вышеописанной системой электропитания.

Вообще настоящее изобретение может быть использовано в любом применении, в котором требуется контроль перенапряжений, даже в орбитальной станции.

Изобретение станет более понятным после изучения нескольких вариантов осуществления, описанных в качестве неограничивающих примеров и показанных в прилагаемых чертежах, из которых:

Фиг.1а и 1b схематично изображают пять моментов периода коммутации электрического напряжения во время работы инверторного Н-моста для положительного фазового электрического тока электрического приемника;

Фиг.2а и 2b схематично изображают пять моментов периода коммутации электрического напряжения во время работы инверторного Н-моста для отрицательного фазового электрического тока электрического приемника;

Фиг.3а и 3b схематично изображают семь моментов периода коммутации электрического напряжения во время работы инвертора для электрического приемника с тремя фазами и нейтральной точкой;

Фиг.4а и 4b схематично изображают подробное и искусственно составленное полуплечо силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, в соответствии с одним аспектом изобретения;

Фиг.4c, 4d, 4e, 4f, 4h, 4i и 4j изображают, в качестве альтернативы подробно и схематично, полуплечо силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, в соответствии с разными аспектами изобретения;

Фиг.5а и 5b представляют собой плечо силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, и 5с представляет собой блок из двух плеч, который может быть использован, например, в качестве Н-моста или в качестве двойного плеча силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, в соответствии с аспектами изобретения;

Фиг.6а и 6b представляют собой примеры изготовления блока из двух плеч, снабженного дополнительным плечом для нечетного общего количества плеч, в соответствии с разными аспектами изобретения;

Фиг.7а и 7b изображают циркуляцию электрических токов в блоке из двух плеч, используемом в качестве Н-моста для фазы электрического приемника соответственно для положительного электрического тока и отрицательного электрического тока; и

Фиг.8а изображает случай нечетного количества фаз, в данном случае три фазы и нейтраль электрического приемника; и

Фиг.8b и 8с изображают циркуляции электрических токов в блоке, показанном на фиг.6а и 6b, с электрическим приемником с тремя фазами и нейтралью.

В разных чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. В приведенных ниже примерах N равно 2, однако очевидно, что описанные примеры относятся, как вариант, к любому числу N.

Фиг.1а и 1b изображают пять моментов периода коммутации электрического напряжения при работе инверторного Н-моста для положительного фазового электрического тока электрического приемника. Положительный электрический фазовый ток означает ток, входящий через активный вывод фазы, указанный в чертежах большой точкой, и выходящий через возвратный вывод фазы. Обозначение «активный» и «возвратный» выводов фазы определяет изготовитель электрического приемника в зависимости от направления магнитного поля, создаваемого фазой в электрическом приемнике.

Фиг.1а изображает инверторный Н-мост, управляющий фазой Phase электрического приемника, такого как электродвигатель, содержащий положительный источник электропитания DCBUS+ и отрицательный источник электропитания DCBUS-, и два плеча Н-моста, Bras_1 и Bras_2.

Первое плечо Bras_1 Н-моста содержит два ключа I_1a, I_1b и два диода D_1a, D_1b, и второе плечо Bras_2 Н-моста содержит два ключа I_2a, I_2b и два диода D_2a, D_2b.

Фиг.1b изображает пять последовательных моментов Т₁, Т₂, Т₃, Т₄ и Т₅ периода коммутации положительного фазового электрического тока в Н-мосте, для электрических напряжений, измеряемых соответственно в точках S1 и S2 относительно линии электропитания DCBUS- двух плеч Arm_1, Arm_2.

Моменты Т₁ и Т₅ соответствуют случаям, когда ключи I_1a первого плеча Arm_1 и I_2a второго плеча Arm_2 замкнутые или активные, при этом фазовый электрический ток циркулирует через положительную линию электропитания DCBUS+, эти задержки соответствуют положительному «холостому ходу», как показано пунктирной стрелкой F1.

Необходимо понимать, что «холостой ход» означает следующее. Если из источника электрического напряжения в индуктивность или катушку индуктивности нужно пропустить некоторый уровень электрического тока, то лучший способ заключается в том, чтобы использовать ключ и выдавать в индуктивность регулярные импульсы напряжения, величина которых, в Вольтах, и длительность, в секундах, вынуждает электрический ток в индуктивности увеличиваться в соответствии с законом di/dt=e/L, где i - интенсивность электрического тока в Амперах, L - индуктивность в Генри, а е - электродвижущая сила в Вольтах. Проблема индуктивности состоит в том, что электрический ток не может быть не может быть резко отключен; фактически, в соответствии с упомянутым законом, для быстрого прекращения существующего тока требуется создавать бесконечное напряжение на выводах индуктивности. Кроме того, индуктивность, через которую пропущен электрический ток i, содержит накопленную энергию W=1/2 Li²; пока электрический ток циркулирует, данная энергия остается аккумулированной в индуктивности, в том числе если происходит его короткое замыкание; и наоборот, если внешняя схема вынуждает ее создавать электрическое напряжение, то ее энергия уменьшается. Кроме того, для электропитания индуктивности, необходимо чередовать периоды электропитания индуктивности с так называемыми периодами «холостого хода», во время которых электрический ток, который ранее циркулировал в индуктивности, поддерживается посредством внешней схемы, на минимальном возможном напряжении, для того чтобы сохранять энергию в индуктивности.

«Холостой ход», в какой-то степени как в случае велосипеда, это период, в течение которого электрический ток циркулирует, не приводя к заметному увеличению или уменьшению энергии, аккумулированной в индуктивности.

Моменты Т₂ и Т₄ соответствуют случаям, когда ключи I_1a первого плеча Arm_1 и I_2b второго плеча Arm_2 замкнутые или активные, при этом фазовый электрический ток отводится из положительной линии электропитания DCBUS+ в отрицательную линию электропитания DCBUS-, эти задержки соответствуют передаче энергии, как показано пунктирной точечной стрелкой F2.

Момент Т₃ соответствует случаям, когда ключи I_1b первого плеча Arm_1 и I_2b второго плеча Arm_2 замкнутые или активные, при этом фазовый электрический ток циркулирует обратно через отрицательную линию электропитания DCBUS-, данная задержка соответствует отрицательному «холостому ходу», как показано сплошной или непрерывной стрелкой F3.

Фиг.2а и 2b изображают пять моментов периода коммутации электрического напряжения во время работы инверторного Н-моста для отрицательного фазового электрического тока электрического приемника. Отрицательный фазовый электрический ток означает ток, входящий через возвратный вывод фазы и выходящий через активный вывод фазы, указанный на чертеже точкой. Обозначение «активный» и «возвратный» выводов фазы определяет изготовитель электрического приемника в зависимости от направления магнитного поля, создаваемого фазой в электрическом приемнике.

Фиг.2а изображает инверторный Н-мост, управляющий фазой Phase электрического приемника, такого как электродвигатель, содержащий положительный источник электропитания DCBUS+ и отрицательный источник электропитания DCBUS-, и два плеча Н-моста, Bras1 и Bras2.

Первое плечо Arm_1 Н-моста содержит два ключа I_1a, I_1b и два диода D_1a, D_1b, и второе плечо Arm_2 Н-моста содержит два ключа I_2a, I_2b и два диода D_2a, D_2b.

Фиг.2b изображает пять последовательных моментов Т₁, Т₂, Т₃, Т₄ и Т₅ периода коммутации отрицательного фазового электрического тока в Н-мосте, для электрических напряжений, измеряемых соответственно в точках S1 и S2 относительно линии электропитания DCBUS- двух плеч Arm_1, Arm_2.

Моменты Т₁ и Т₅ соответствуют случаям, когда ключи I_1a первого плеча Arm_1 и I_2a второго плеча Arm_2 замкнутые или активные, при этом фазовый электрический ток циркулирует через положительную линию электропитания DCBUS+, эти задержки соответствуют положительному «холостому ходу», как показано пунктирной стрелкой F4.

Моменты Т₂ и Т₄ соответствуют случаям, когда ключи I_1b первого плеча Arm_1 и I_2а второго плеча Arm_2 замкнутые или активные, при этом фазовый электрический ток протекает из положительной линии электропитания DCBUS+ в отрицательную линию электропитания DCBUS-, эти задержки соответствуют передаче энергии, как показано пунктирной стрелкой F5.

Момент Т₃ соответствует случаям, когда ключи I_1b первого плеча Arm_1 и I_2b второго плеча Arm_2 замкнутые или активные, при этом фазовый электрический ток циркулирует через отрицательную линию электропитания DCBUS-; данная задержка соответствует отрицательному «холостому ходу», как показано сплошной или непрерывной стрелкой F6.

Фиг.3а и 3b изображают семь моментов периода коммутации электрического напряжения во время работы инвертора с тремя плечами для электрического приемника, такого как электродвигатель с тремя фазами Phase1, Phase2, Phase3 и нейтральной точкой Neutral.

Фиг.3а изображает инвертор с тремя плечами Arm_1, Arm_2 и Arm_3, содержащий положительный источник электропитания DCBUS+ и отрицательный источник электропитания DCBUS-.

Первое плечо Arm_1 инвертора содержит два ключа I_1a, I_1b и два диода D_1a, D_1b, и второе плечо Arm_2 Н-моста содержит два ключа I_2a, I_2b и два диода D_2a, D_2b и третье плечо Arm_3 содержит два ключа I_3a, I_3b и два диода D_3a, D_3b.

Фиг.3b изображает семь последовательных моментов Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т₆ и Т₇ периода коммутации положительного фазового электрического тока в инверторе, для электрических напряжений, измеряемых соответственно в точках S1, S2 и S3 относительно линии электропитания DCBUS- трех плеч Arm_1, Arm_2 и Arm_3.

Работа инвертора с М фазами делится на 2М+1 периодов, в данном конкретном описанном случае работа инвертора с тремя фазами делится на семь моментов или семь последовательных задержек Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т₆ и Т₇.

Фиг.3b показывает работу трехфазного инвертора с фазами Phase1, Phase2 Phase3 с тремя плечами Arm_1, Arm_2 и Arm_3, которая содержит семь рабочих периодов Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т₆ и Т₇ (для необходимостей объяснения, его работа установлена на +15°, что приводит к распределению электрических токов в соответствующих пропорциях +97%, -70% и -27% в его косинусоидальной трехфазной системе отсчета).

Моменты Т₁ и Т₇ соответствуют случаям, когда ключи I_1a первого плеча Arm_1, I_2a второго плеча Arm_2 и I_3a третьего плеча Atm_3 замкнутые или активные, при этом фазовые электрические токи циркулируют обратно через положительную линию электропитания DCBUS+, данное время соответствует положительному «холостому ходу», как показано стрелками F7, F8 и F9.

Моменты Т₂ и Т₆ соответствуют случаям, когда ключи I_1a первого плеча Arm_1, I_2a второго плеча Arm_2 и I_3b третьего плеча Arm_3 замкнутые или активные, при этом электрический ток фазы Phase3 отводится из положительной линии электропитания DCBUS+, это то время, в течение которого применяется передача энергии, пока электрический ток фазы Phase2 еще находится в режиме положительного «холостого хода»; электрический ток фазы Phase1 равен сумме двух других токов, как показано стрелками F10, F8 и F12.

Моменты Т₃ и Т₅ соответствуют случаям, когда ключи I_1a первого плеча Arm_1, I_2b второго плеча Arm_2 и I_3b третьего плеча Arm_3 замкнутые или активные, при этом электрические токи фаз Phase2 и Phase3 отводятся из положительной линии электропитания DCBUS+, это время, в течение которого применяется передача энергии; электрический ток фазы Phase1 равен сумме двух других электрических токов, как показано стрелками F10, F11 и F12.

Момент Т₄ соответствует случаю, когда ключи I_1b первого плеча Arm_1 и I_2b второго плеча Arm_2 и I_3b третьего плеча Arm_3 замкнутые или активные, при этом фазовые электрические токи фаз Phase1, Phase2 и Phase3 циркулируют обратно через отрицательную линию электропитания DCBUS-, данная задержка соответствует отрицательному «холостому ходу», как показано стрелками F13, F14 и F15.

Как описано выше, фазовый ток проходит, в свою очередь, через «верхнюю часть» и «нижнюю часть» плеч Arm_1 и Arm_2 с периодами подъема и падения порядка 1А/нс. Кроме того, паразитные индуктивности, распределенные в схеме, создают перенапряжения с частотой 1В/нГн. Эти паразитные индуктивности распределены в плечах инвертора, а также в линиях «DCBUS».

Учитывая, что один провод создает 10 нГн/см, без мер предосторожности, полуплечо инвертора длиной 15 см представляет собой место перенапряжений порядка 150В, другими словами, более, чем половина авиационного напряжения (270 В постоянного тока), даже всего напряжения электропитания для некоторых применений ракет-носителей (Ariane 5ME и Ariane 6, верхняя ступень: 150 В).

Такие перенапряжения требуют увеличения размеров элементов и технологий производства оборудования, чтобы также выдерживать величину заряда в элементах, который они генерируют.

Например, инвертор, питающийся от батарей с напряжением 320В, может быть изготовлен с ИС, рассчитанными на 650В, с площадью поверхности 100 мм² для биполярных транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT) и 38 мм² для диодов. Если перенапряжения требуют использования элементов с повышенной электрической прочностью, нужно использовать ИС, рассчитанные на напряжение 1200 В; стойкость к повышенному напряжению означает увеличение толщины ИС. В настоящее время диоды, так же как и IGBT, пропускают ток в толщине ИС, чтобы сохранить неизменными потери за счет проводимости, площадь поверхности IGBT увеличивается до 193 мм² и площадь поверхности диода до 81 мм².

В настоящее время рынок не предлагает доступных из каталога гибридных модулей с высокой надежностью, даже промышленного качества, которые обеспечивают устойчивость к отказам посредством резервирования.

Таким образом, необходимо создать дискретное решение, которое в сущности не будет ни сверхкомпактным, а значит подверженным перенапряжениям, ни термически оптимизированным и соответственно иметь увеличенные размеры, т.е. разработать специальную гибридную схему, которая позволит использовать все преимущества данного изобретения.

Настоящее изобретение реализует минимум избыточности силовых элементов, необходимый для решения проблемы устойчивости к отказам без неконфигурирования.

Посредством оптимизации резервирования настоящее изобретение позволяет осуществить компактную реализацию, которая, благодаря уменьшению паразитных индуктивностей, повышает уровень рабочих характеристик инвертора, одновременно уменьшая его коммутационные перенапряжения.

Предлагаемая архитектура применима к электродвигателям с по меньшей мере тремя фазами, управляемыми посредством Н-мостов; она основана на следующих трех соображениях:

- многофазные электродвигатели с n фазами, управляемые методом векторного управления (преобразований Park-Concordia), обладают способностью естественно работать на n-1 фазах, когда отказавшая фаза утрачена при обрыве цепи;

- безотказный режим способен обеспечить возможность замыкать накоротко батарею без риска распространения отказов; и

- утрата холостого диода вынуждает индуктивность соответствующей фазы электродвигателя повышать напряжение, что вызывает риски распространения отказов.

Исходя из этого, устойчивость к простому отказу предлагаемого решения основана на двух средствах:

- Силовые ключи резервируют последовательно.

Таким образом, отказ типа обрыва цепи ключа соответствует обрыву фазы, который является допустимым, а отказ типа короткого замыкания устраняется посредством последовательного резервирования, которое является необходимым. Кроме того, отказ типа короткого замыкания ключа не вызывает короткого замыкания батареи, или фазы электродвигателя, которая является необходимой.

- Силовые диоды резервируют последовательно и параллельно.

Таким образом, отказ типа обрыва цепи диода компенсируется посредством параллельного диода, который является необходимым, а отказ типа короткого замыкания устраняется посредством последовательного резервирования, которое является необходимым. Кроме того, отказ типа короткого замыкания диода не вызывает короткого замыкания батареи, или фазы электродвигателя, которая является необходимой.

Все идеи, разработанные в настоящем изобретении, применимы к инверторам, изготовленным с дискретными элементами, однако реализация настоящего изобретения в силовой гибридной схеме позволяет получить максимальный положительный эффект от технологий уменьшения паразитных индуктивностей за счет умножающего эффекта повышенной компактности решения через гибридизацию.

Кроме того, группирование или разделение силовых элементов в соответствии с их отрицательным или положительным температурным коэффициентом позволяет оптимизировать распределение тока между элементами.

Фиг.4а и 4b соответственно изображают подробное полуплечо 4а и искусственно составленное полуплечо 4b силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, как инвертор, модулятор или регулятор силы света, выполненный с возможностью управления по меньшей мере одной фазой многофазного электрического приемника с по меньшей мере тремя фазами, такого как электродвигатель или трансформатор, содержащий по меньшей мере два плеча преобразователя. Данный вариант осуществления ни в коей мере не является ограничивающим.

Ключи могут содержать по меньшей мере один биполярный транзистор с изолированным затвором или IGBT, и/или по меньшей мере один полевой транзистор с изолированным затвором или MOSFET, что означает полевой транзистор с МОП-структурой. В описанных примерах ключи представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором или IGBT, не ограничивая тем самым изобретение.

Фиг.4а показывает подробное изображение полуплеча 40 силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2.

Такое полуплечо 40 силового преобразователя импульсного типа содержит первый набор ENS1 из Р≥2 ключей, соединенных последовательно, в данном случае двух ключей I1, I2, расположенных последовательно, второй набор ENS2 из Р≥2 ключей, соединенных последовательно, в данном случае двух ключей I3, I4, расположенных последовательно, и третий набор ENS3 диодов, расположенный между первым набором ENS1 и вторым набором ENS2, содержащий М≥2 поднаборов SE1, SE2, ..., SEM, обозначенных i ∈ [1;М], в данном случае два поднабора SE1, SE2, соединенных последовательно, соответственно содержащие N_i≥2 диодов, соединенных параллельно, в данном случае, соответственно, два диода, соединенные параллельно, D1 и D2 и D3 и D4.

Различные соединения изображены посредством соединительных проводов 41а и соединительных проводов 41b нижнего уровня.

Выводы Е1, Е2 эмиттеров ключей I1, I2, I3, I4 используются как возврат для управления ключами I1, I2, I3, I4.

Выводы G1, G2, G3, G4 затворов транзисторных ключей I1, I2, I3, I4 используются для управления ключами I1, I2, I3, I4.

Промежуточная точка DT1 последовательного соединения поднаборов SE1, SE2 диодов может быть использована для самоконтроля.

Внешние соединения данного полуплеча 40 обозначены А, В, С, D, E и F, чтобы можно было их определить в приведенных ниже сводных изображениях.

Фиг.4b представляет собой сводный вариант фиг.4а.

Одной из основных характеристик диодов является их отрицательный температурный коэффициент. Это означает, что, когда температура диода увеличивается, прямое напряжение, регистрируемое на выводах диода после пропускания через него заданного электрического тока, уменьшается.

В случае параллельного соединения диодов, распределение электрического тока между ними зависит от их индивидуальных вольт-амперных характеристик. Если между диодами возникает разность температур, то через самые горячие диоды протекает больший ток, который, в свою очередь, дополнительно нагревает упомянутые диоды с возможностью пробоя.

Кроме того, предлагаемая реализация предписывает группирование диодов, соединенных параллельно, на одной медной поверхности, так что когда один диод нагревается, он нагревает также другие диоды, соответственно стремясь поддерживать надлежащее распределение токов.

В отличие от диодов, одной из основных характеристик IGBT или ключей является их положительный температурный коэффициент. Это означает, что когда температура IGBT увеличивается, электрическое напряжение между коллектором и эмиттером, регистрируемое на выводах IGBT в режиме насыщения, через который пропущен заданный ток коллектора, увеличивается.

Как и для диодов, в случае параллельного соединения IGBT, распределение тока между ними зависит от их индивидуальных вольт-амперных характеристик. Однако если между IGBT возникает разность температур, то через самые горячие IGBT протекает меньший ток, который, в свою очередь, нагревает упомянутые IGBT меньше, что позволяет, если каждый IGBT может иметь свою свободно изменяемую температуру, стабилизировать распределение тока между IGBT.

Кроме того, предлагаемая реализация предписывает разделение IGBT, соединенных параллельно, на разных и отдельных медных поверхностях, так что если один IGBT нагревается, то термическая изоляция с другими IGBT позволяет ему нагреваться свободно, не создавая помех другим IGBT, соответственно стремясь поддерживать надлежащее распределение тока.

При этом необходимо отметить, что используемая подложка состоит из слоя меди, на который припаивают ИС, опирающийся на керамику алюмооксидного типа, которую закрепляют на втором слое меди в прямом или непрямом контакте с теплоотводом. Посредством наличия керамики, которая обладает более высоким термическим сопротивлением по сравнению с верхней медной поверхностью в пакете силовой гибридной схемы, тепловая мощность предпочтительно распределяется по всей верхней медной поверхности (горизонтально), что вызывает нагревание других элементов, общих для данного медного слоя, и что является, в частности, желаемым эффектом для диодов.

Для сравнения, поскольку интерфейсы под керамикой являются хорошими проводниками тепла, тепло передается в керамике по существу одинаково горизонтально и вертикально, так что, исходя из расстояния, равного толщине керамики, не будет «тепловых взаимных влияний», что является желаемым эффектом для IGBT. Как было отмечено выше, фазовый ток переключается между диодами и силовыми ключами, а поскольку скорость изменения тока высокая, меньшая паразитная индуктивность вызывает меньшие коммутационные перенапряжения.

В случае положительного тока, фазовый ток переключается соответственно между группами ENS1 и ENS2, с одной стороны, и группой ENS3, для выхода 42 на фиг.4С.

Настоящее изобретение предписывает:

- монтирование группы диодов, соединенных параллельно, на одной поверхности;

- размещение группы диодов среди группы ключей, которая разделена на две ветви, в которые распределяется ток. Остальная схема реализуется в соответствии с упомянутым принципом.

Фазовый ток циркулирует либо в центральной ветви, состоящей из группы диодов ENS3, либо распределяется между двумя ветвями, содержащими IGBT, ENS1, ENS2.

Сильная взаимная индуктивная связь ветви ENS3 с диодами на ячейках ENS1, ENS2 с IGBT (и наоборот) делает индуктивность коммутации очень малой, что является желаемой целью.

Вышеизложенные принципы позволяют создать схему, обеспечивающую значительную оптимизацию разработки силовой гибридной схемы.

Во время коммутации, в так называемых фазах холостого хода, осуществляется обмен токов между плечами инвертора Н-моста через линии электропитания.

В соответствии с паразитной индуктивностью данных линий, возникают перенапряжения на выводах активных элементов.

Настоящее изобретение предлагает размещать плечи инвертора вплотную друг к другу, так чтобы обмены тока между двумя плечами инвертора осуществлялись по возможности прямо, в значит с минимальной возможной индуктивностью.

Фиг.4с, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i и 4j изображают, в качестве альтернативы подробно и схематично, полуплечо силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, такого как инвертор, модулятор или регулятор силы света, выполненного с возможностью управления по меньшей мере одной фазой многофазного электрического приемника с по меньшей мере тремя фазами, такого как электродвигатель или трансформатор, содержащий по меньшей мере два плеча преобразователя, в соответствии с различными аспектами изобретения.

Данные чертежи показывают полуплечо 40, показанное на фиг.4а и 4b, соединенное разными способами с силовыми интерфейсами и копланарным источником электропитания DCBUS.

Фиг.4с изображает положительное полуплечо 41 силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, для положительного использования, т.е. в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к положительному источнику электропитания DCBUS+, в левосторонней реализации.

Такое положительное полуплечо 41 содержит полуплечо 40, в котором первый и второй поднаборы ENS1, ENS2 подсоединены к положительной линии электропитания DCBUS+ копланарного источника электропитания DCBUS, содержащего положительную линию DCBUS+ и отрицательную линию DCBUS-, расположенные так, чтобы разделять два плеча преобразователя, и содержащие силовой интерфейс для каждого плеча, такой как система шин или электрическая распределительная шина.

Каждый силовой интерфейс выполнен так, что два полуплеча соответствующего плеча расположены между копланарным источником электропитания DCBUS и соответствующим силовым интерфейсом. Различные соединения изображены посредством соединительных проводов 41а и соединительных проводов 41b нижнего уровня.

В данной реализации полуплеча, силовой интерфейс или выход 42 фазы изображен слева.

Фиг.4d представляет собой сводный вариант фиг.4с.

Фиг.4е изображает положительное полуплечо 43 силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, для положительного использования, т.е. в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к положительному источнику электропитания DCBUD+, в правосторонней реализации.

Такое положительное полуплечо 43 содержит полуплечо 40, в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к положительной линии DCBUS+ копланарного источника электропитания DCBUS, содержащего положительную линию DCBUS+ и отрицательную линию DCBUS-, расположенные так, чтобы разделять два плеча преобразователя, и содержащие силовой интерфейс для каждого плеча, такой как система шин или электрическая распределительная шина.

Каждый силовой интерфейс выполнен так, что два полуплеча соответствующего плеча расположены между копланарным источником электропитания DCBUS и соответствующим силовым интерфейсом. Различные соединения изображены посредством соединительных проводов 41а и соединительных проводов 41b нижнего уровня.

В данной реализации полуплеча, силовой интерфейс 44 показан справа.

Фиг.4f представляет собой сводный вариант фиг.4е.

Фиг.4g изображает отрицательное полуплечо 45 силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, для отрицательного использования, т.е. в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к отрицательной линии электропитания DCBUD-, в левосторонней реализации.

Такое отрицательное полуплечо 45 содержит полуплечо 40, в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к отрицательной линии электропитания DCBUS- копланарного источника электропитания DCBUS, содержащего положительную линию DCBUS+ и отрицательную линию DCBUS-, расположенные так, чтобы разделять два плеча преобразователя, и содержащие силовой интерфейс для каждого плеча, такой как система шин или электрическая распределительная шина.

Каждый силовой интерфейс выполнен так, что два полуплеча соответствующего плеча расположены между копланарным источником электропитания DCBUS и соответствующим силовым интерфейсом. Различные соединения изображены посредством соединительных проводов 41а и соединительных проводов 41b нижнего уровня.

В данной реализации полуплеча, силовой интерфейс или выход 46 фазы изображен слева.

Фиг.4h представляет собой сводный вариант фиг.4g.

Фиг.4i изображает отрицательное полуплечо 47 силового преобразователя импульсного типа, когда Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, для отрицательного использования, т.е. в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к отрицательной линии электропитания DCBUD-, в правосторонней реализации.

Такое отрицательное полуплечо 47 содержит полуплечо 40, в котором первый и второй наборы ENS1, ENS2 подсоединены к отрицательной линии DCBUS- копланарного источника электропитания DCBUS, содержащего положительную линию DCBUS+ и отрицательную линию DCBUS-, расположенные так, чтобы разделять два плеча преобразователя, и содержащие силовой интерфейс для каждого плеча, такой как система шин или электрическая распределительная шина.

Каждый силовой интерфейс выполнен так, что два полуплеча соответствующего плеча расположены между копланарным источником электропитания DCBUS и соответствующим силовым интерфейсом. Различные соединения изображены посредством соединительных проводов 41а и соединительных проводов 41b нижнего уровня.

В данной реализации полуплеча, силовой интерфейс 48 изображен справа.

Фиг.4f представляет собой сводный вариант фиг.4e.

Для следующих чертежей, в целях пояснения, использованы только сводные варианты.

Фиг.5а и 5b изображают, подробно и в сводном виде, плечо силового преобразователя импульсного типа при Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2, а фиг.5с изображает блок из двух плеч, который может быть использован, например, в качестве Н-моста или двойного плеча силового преобразователя импульсного типа, в соответствии с одним аспектом изобретения.

Фиг.5b изображает плечо 50 силового преобразователя импульсного типа при Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2 с левосторонней реализацией, которое образовано из двух полуплеч 41, 45, одного из них, 41, положительного полуплеча, в соответствии с фиг.4с или 4d, и другого, 45, отрицательного полуплеча, в соответствии с фиг.4g или 4h. Силовой интерфейс DCBUS соответствует силовым интерфейсам 42 или 46, в данном случае одинаковым.

Фиг.5а изображает плечо 52 силового преобразователя импульсного типа при Р=2, М=2, N₁=2 и N₂=2 с правосторонней реализацией, которое образовано из двух полуплеч 47, 43, одного из них, 43, положительного полуплеча, в соответствии с фиг.4d или 4e, и другого, 47, отрицательного полуплеча, в соответствии с фиг.4i или 4j. Cиловой интерфейс 53 соответствует силовым интерфейсам 44 или 48, в данном случае одинаковым.

Фиг.5с изображает блок 55 из двух плеч 50, 52, представляющих собой комбинацию плеча 50, реализованного слева в соответствии с фиг.5b, и плеча 52, реализованного справа в соответствии с фиг.5а, которая может быть использована в качестве Н-моста или двойного плеча силового преобразователя импульсного типа, в соответствии с одним аспектом изобретения. Очевидно, что все эти варианты осуществления являются неограничивающими, поскольку они могут быть приспособлены к разным геометриям.

Фиг.6а и 6b представляют собой примеры изготовления блока 60, содержащего блок 55 из двух плеч в соответствии с фиг.5с, снабженный дополнительным плечом 57, 62 для нечетного общего количества плеч, в соответствии с двумя неограничивающими вариантами осуществления.

Вариант осуществления, показанный на фиг.6а, изображает блок 60, содержащий блок 55 из двух плеч, в соответствии с фиг.5с, снабженный дополнительным плечом 57, содержащим два полуплеча 57а, 57b, расположенные на каждой стороне удлиненного копланарного источника электропитания DCBUS. В данном варианте осуществления, дополнительное плечо 57 содержит отрицательное полуплечо с левосторонней реализацией 57а и положительное полуплечо с правосторонней реализацией 57b. Дополнительное плечо 57 содержит также силовой интерфейс 58, содержащий, соответственно, для каждого из двух полуплеч 57а, 57b, часть 58а, 58b, выполненный так, что соответствующее полуплечо 57а, 57b расположено между копланарным источником электропитания DCBUS и соответствующей частью силового интерфейса, или другими словами, продолжении силового интерфейса 58а, 58b. В этом случае силовой интерфейс 58 дополнительного плеча 57 содержит три части 58а, 58b и 58с, образующие форму буквы U.

Вариант осуществления, показанный на фиг.6b, изображает блок 60, содержащий блок 55 из двух плеч, в соответствии с фиг.5с, снабженный дополнительным плечом 62. Блок 60 содержит также дополнительный участок DCBUSadd копланарного источника электропитания, расположенный в одном конце в другом направлении от остального копланарного источника электропитания DCBUS, и силовой интерфейс 63 дополнительного плеча 62, выполненный так, что дополнительное плечо 62 расположено между упомянутым дополнительным участком DCBUSadd копланарного источника электропитания и упомянутым соответствующим силовым интерфейсом 63.

Дополнительный участок DCBUSadd копланарного источника электропитания предпочтительно может быть расположен по существу под прямыми углами относительно остального копланарного источника электропитания DCBUS.

В данном случае, копланарный источник электропитания DCBUS, DCBUSadd образуют перевернутую букву Т.

Во время коммутации, в так называемых фазах «холостого хода», осуществляется обмен токов между плечами инвертора Н-моста через линии электропитания DCBUS+, DCBUS-. В зависимости от паразитной индуктивности данных линий, в них будут возникать перенапряжения.

Настоящее изобретение предлагает размещать плечи инвертора вплотную друг к другу, так чтобы обмен токов между двумя плечами инвертора бы по возможности прямым, а значит с минимальной возможной индукцией.

Фиг.7а изображает циркуляции электрических токов в блоке 55 из двух плеч, используемом в качестве Н-моста для фазы Phase электрического приемника, в данном случае положительного фазового электрического тока.

Для «холостого хода» в положительной шине электропитания DCBUS+, ток проходит путь, показанный пунктирными стрелками.

Для «холостого хода» в отрицательной шине электропитания DCBUS-, ток проходит путь, показанный сплошными или непрерывными стрелками.

Точечные пунктирные стрелки показывают циркуляцию тока во время активного периода. Во время данного периода ток отводится из источника DCBUS под напряжением V_DCBUS, которое соответствует энергии, выдаваемой источником в фазу.

Фиг.7b изображает циркуляции электрических токов в блоке 55 из двух плеч, используемом в качестве Н-моста для фазы Phase электрического приемника, в данном случае отрицательного фазового электрического тока.

Для «холостого хода» в положительной шине электропитания, ток проходит путь, показанный пунктирными стрелками.

Для «холостого хода» в отрицательной шине электропитания, ток проходит путь, показанный сплошными или непрерывными стрелками.

Точечные пунктирные стрелки показывают циркуляцию тока во время активного периода. Во время данного периода ток отводится из источника DCBUS под напряжением V_DCBUS, которое соответствует энергии, выдаваемой источником в фазу.

Фиг.8b изображает случай нечетного количества (2М+1) фаз электрического приемника, в данном случае три фазы Phase1, Phase2, Phase3, и нейтраль электрического приемника.

Электрический приемник, например, электродвигатель, вращающийся на 360°, при этом каждая фаза (в случае трех фаз) сдвинута на 120°, а в каждой фазе протекает ток типа I=Io cos(ωt+θ), где θ - соответственно равно 0, 120° и 240°.

Можно установить рассматриваемые углы (каждые 60°), которые вытекают из таблицы, показанной на фиг.8а, таким образом, можно более просто изучить циркуляцию коммутируемых токов для рассматриваемых углов.

Кроме того, соединение с нейтралью Neutral осуществляется автоматически, как показано в чертеже на фиг.8b.

Фиг.8b и 8с изображают циркуляции электрических токов в блоке, показанном на фиг.6а и 6b, с электрическим приемником с тремя фазами и нейтралью, в случае рассматриваемого угла 0°, при котором три тока имеют соответствующие пропорции: 1, -0,5, -0,5.

В соответствии с двумя чертежами 8b и 8с циркуляции токов, электрические коммутационные токи нечетной фазы возвращаются через систему шин DCBUS (DCBUS+ и DCBUS-); если копланарная система шин высокого качества, то индуктивность очень мала, поскольку разность путей, изображенных сплошной или непрерывной линией, точечной пунктирной линией и пунктирной линией, минимальная.

Выбор между вариантов в форме перевернутой буквы Т, показанным на фиг.8с, и вариантом буквы U, показанным на фиг.8b, будет определяться реализацией, для которой паразитная индуктивность сегмента DCBUS, необходимого для электропитания двух полуплеч нечетной фазы, будет наименьшей.

Кроме того, настоящее изобретение решает проблему отказоустойчивости, включая отказы схем управления.

Посредством уменьшения до минимума паразитных индуктивностей, данное решение позволяет использовать элементы, которые лучшие свойства с точки зрения электрического напряжения, что приводит к меньшим джоулевым потерям в силовом преобразователе, а значит к более высокой эффективности и оптимальным термическим свойствам.

Посредством уменьшения паразитных индуктивностей до их минимумов, настоящее изобретение позволяет лучше использовать напряжение источника электропитания.

Благодаря компактности решения изобретение уменьшает его вес, критерий, что является важным в области ракет-носителей и спутников.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым преобразователям импульсного типа. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей силового преобразователя и уменьшении потерь в силовом преобразователе за счет уменьшения паразитной индуктивности. Технический результат достигается за счет того, что силовой преобразователь импульсного типа выполнен с возможностью управления по меньшей мере одной фазой многофазного электрического приемника с по меньшей мере тремя фазами. Кроме того, силовой преобразователь содержит по меньшей мере один блок из двух плеч преобразователя, в котором полуплечо (40) плеча преобразователя содержит: первый набор (ENS1) из Р≥2 ключей (I1, I2), соединенных последовательно; второй набор (ENS2) из Р≥2 ключей (I3, I4), соединенных последовательно; и третий набор (ENS3) диодов (D1, D2, D3, D4), расположенный между первым набором (ENS1) и вторым набором (ENS2), содержащий М≥2 поднаборов (SE1, SE2, ..., SEM), соединенных последовательно, обозначенных i ∈ [1;М], соответственно содержащих N_i≥2 диодов, соединенных параллельно. 7 н. и 13 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. Силовой преобразователь импульсного типа, выполненный с возможностью управления по меньшей мере одной фазой многофазного электрического приемника с по меньшей мере тремя фазами, содержащий по меньшей мере один блок из двух плеч преобразователя, причем полуплечо (40, 41, 43, 45, 47) плеча преобразователя содержит:

- первый набор (ENS1) из Р≥2 ключей (I1, I2), соединенных последовательно;

- второй набор (ENS2) из Р≥2 ключей (I3, I4), соединенных последовательно, причем упомянутый второй набор (ENS2) электрически подсоединен параллельно между линией электропитания (DCBUS+, DCBUS-) копланарного источника электропитания (DCBUS) и силовым интерфейсом (51, 53); и

- третий набор (ENS3) диодов (D1, D2, D3, D4), расположенный между первым набором (ENS1) и вторым набором (ENS2), содержащий М≥2 поднаборов (SE1, SE2,...SEM), соединенных последовательно, обозначенных i ∈ [1;М], соответственно содержащих N_i≥2 диодов, соединенных параллельно, причем упомянутый третий набор (ENS3) электрически подсоединен между силовым интерфейсом (51, 53) и другой линией электропитания (DCBUS+, DCBUS-) копланарного источника электропитания (DCBUS).

2. Силовой преобразователь импульсного типа по п.1, в котором М поднаборов (SE1, SE2) содержат одинаковое количество N_i диодов, соединенных параллельно.

3. Силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, содержащий по меньшей мере один датчик температуры.

4. Силовой преобразователь импульсного типа по п.1, в котором ключи первого набора (ENS1) расположены на одной прямой и/или ключи второго набора (ENS2) расположены на одной прямой и/или поднаборы (SE1, SE2) диодов третьего набора (ENS3) расположены на одной прямой.

5. Силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, в котором блок (55) из двух плеч содержит копланарный источник электропитания (DCBUS), снабженный положительной линией (DCBUS+) и отрицательной линией (DCBUS-), расположенными так, чтобы разделять два плеча (50, 52) преобразователя, и содержащий силовой интерфейс (51, 53) для каждого плеча, причем каждый силовой интерфейс выполнен так, что два полуплеча (41, 45), (43, 47) соответствующего плеча расположены между копланарным источником электропитания (DCBUS) и соответствующим силовым интерфейсом (51, 53).

6. Силовой преобразователь импульсного типа по п.5, в котором два полуплеча, образующие плечо (50, 52) блока (52) из двух плеч преобразователя, содержат

- положительное полуплечо (41, 43), содержащее третий набор (ENS3), подсоединенный между отрицательной линией (DCBUS-) копланарного источника электропитания (DCBUS) и соответствующим силовым интерфейсом (51, 53), и первый набор (ENS1) и второй набор (ENS2), подсоединенные между положительной линией (DCBUS+) копланарного источника электропитания (DCBUS) и соответствующим силовым интерфейсом (51, 53), и

- отрицательное полуплечо (45, 47), содержащее третий набор (ENS3), подсоединенный между положительной линией (DCBUS+) копланарного источника электропитания (DCBUS) и соответствующим силовым интерфейсом (51, 53), и первый набор (ENS1) и второй набор (ENS2), подсоединенные между отрицательной линией (DCBUS-) копланарного источника электропитания (DCBUS) и соответствующим силовым интерфейсом (51, 53).

7. Силовой преобразователь импульсного типа по п.6, в котором отрицательное полуплечо (45, 47) плеча (50, 52) блока (55) из двух плеч преобразователя расположено напротив положительного полуплеча (41, 43) другого плеча блока из двух плеч преобразователя, относительно копланарного источника электропитания (DCBUS).

8. Силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, в котором если количество плеч нечетное, то преобразователь содержит упомянутые блоки (55) из двух плеч, и блок (55) из двух плеч снабжен дополнительным плечом (57, 62).

9. Силовой преобразователь импульсного типа по п.8, в котором упомянутый блок (55) из двух плеч снабжен дополнительным плечом (57), содержащим два полуплеча (57а, 57b), расположенные на каждой стороне удлиненного копланарного источника электропитания (DCBUS), и силовым интерфейсом (58) упомянутого дополнительного плеча (57), содержащим соответственно, для каждого из двух полуплеч (57а, 57b), часть (58а, 58b), выполненную так, что соответствующее полуплечо (57а, 57b) расположено между копланарным источником электропитания (DCBUS) и упомянутой частью (58а, 58b) соответствующего силового интерфейса (58).

10. Силовой преобразователь импульсного типа по п.8, в котором упомянутый блок (55) из двух плеч, снабженный дополнительным плечом (62), содержит также дополнительный участок (DCBUSadd) копланарного источника электропитания (DCBUS), расположенный в одном конце и в другом направлении от остального копланарного источника электропитания, и силовым интерфейсом (63) упомянутого дополнительного плеча (62), выполненным так, что упомянутое дополнительное плечо (62) расположено между упомянутым дополнительным участком (DCBUSadd) копланарного источника электропитания и упомянутым соответствующим силовым интерфейсом (63).

11. Силовой преобразователь импульсного типа по п.10, в котором упомянутый дополнительный участок (DCBUSadd) копланарного источника электропитания (DCBUS) расположен по существу под прямыми углами относительно остального копланарного источника электропитания.

12. Силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он является гибридным.

13. Силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, в котором ключи (I1, I2, I3, I4) содержат по меньшей мере один биполярный транзистор с изолированным затвором и/или по меньшей мере один полевой транзистор с изолированным затвором.

14. Силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, причем упомянутый преобразователь представляет собой инвертор или модулятор.

15. Система управления по меньшей мере одним электроприводом с цилиндром ракеты-носителя, содержащая по меньшей мере один силовой преобразователь импульсного типа по одному из предыдущих пунктов, причем упомянутый электрический приемник представляет собой электродвигатель и упомянутый силовой преобразователь представляет собой инвертор.

16. Ракета-носитель, содержащая систему по п.15.

17. Система управления по меньшей мере одним устройством управления для антенн или солнечных панелей спутника, содержащая по меньшей мере один силовой преобразователь импульсного типа по одному из пп.1-15, причем упомянутый электрический приемник представляет собой электродвигатель и упомянутый силовой преобразователь представляет собой инвертор.

18. Спутник, снабженный системой управления по п.17.

19. Система электропитания спутника, содержащая по меньшей мере один силовой преобразователь импульсного типа по одному из пп.1-14, причем упомянутый электрический приемник представляет собой многофазный трансформатор и упомянутый силовой преобразователь представляет собой инвертор или модулятор.

20. Спутник, снабженный системой электропитания по п.19.